液晶微流动Micro-PIV系统的制作方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明属于微流体驱动与控制技术领域，特别是涉及一种液晶微流动Micro-Piv系统。
[0002]【背景技术】:
PIV的全英文名称是Particle Image Velocimetry，又被叫作粒子图像测速法，是20世纪发展起来的一种瞬态、无接触式的激光式的流体力学测速系统。在随后的几十年，经过不断地发展和完善，日渐趋向成熟。PIV技术的特点是能在一瞬间以图像的形式记录空间点上的速度分布信息，并呈现丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。
[0003]PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。如果示踪粒子跟随性越好，那么示踪粒子的流动状态就越能间接反映流体流场的流动状态。理想的示踪粒子要满足如下要求:(1)密度和重量最好要和实验流体一样；(2)直径要足够小；(3)粒子的外形最好是圆形且分布尽可能的均匀；(4)要有高的光散射率。在液体测速实验中，示踪粒子通常采用空心微珠或者金属氧化物颗粒；在空气测速实验中，示踪粒子可采用烟雾或者粉尘状的细小颗粒；在微管道测速实验中，示踪粒子通常采用更细微的微粒，如荧光微粒、量子点等。
[0004]Micro-PIV是在PIV测速技术基础上发展而来的，是一套微米级别的即时定量的微流场测速方法。两者有较大的差别，比如示踪粒子的选择、图像的记录和处理等方面。Micro-PIV测速在图像记录和处理方面采用更高分辨率的显示技术，来捕捉荧光粒子流动的细微运动，同时减小荧光衍射而带来的误差，使后期计算得到的全流场速度矢量图更加细微和准确。
[0005]Micro-PIV突破了传统微尺度流体力学测量手段的局限性，使得对微尺度流动元件的研究从过去只能给出流量、阻力特性等有限信息逐步转向对全流场内流结构的直接测量上，并且达到了相当高的分辨率和测量精度。Micro-PIV粒子图像测速是在PIV的基础上进一步发展而来的。其原理和PIV基本相同，但是Micro-PIV技术有无接触式及高精度全流场检测的特点，而且Micro-PIV所用到的示踪粒子直径更小，几乎可以到几十纳米，这样可以减少对流场中的流体的影响。但是，目前对Micro-PIV还处于研究阶段，现有的Micro-PIV系统还存在各种问题，不能直接应用于微小器件中流体的流动显示技术之中。
[0006]
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种液晶微流动Micro-PIV系统，针对微小器件中流体的流动显示技术，特别是针对非牛顿流体的流动显示技术，设计了一套用于测量非牛顿流体液晶微流动的Micro-PIV系统。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的:
一种液晶微流动Micro-PIV系统，包括:
微流场激发部分，用于液晶微流场的激发；所述微流场激发部分包括液晶盒、显微镜冷热台、波形发生器和切换单元，所述液晶盒提供微流动的微流场，所述显微镜冷热台与自制波形发生器用于激发微流场，所述切换单元根据所激发的微流场类型进行切换；所述液晶盒内装入荧光示踪粒子和被测液晶混合后得到的液晶混合液；
流动观察记录部分，用于观察并记录荧光示踪粒子的运动，获取荧光示踪粒子运动的视频文件；
以及图像数据处理部分；用于将视频文件进行图像数据处理。
[0008]进一步，所述液晶盒包括平行相对设置的上、下玻璃基片，在上玻璃基片上设有上导电膜层，所述上导电膜层上设有上聚酰亚胺层，所述下玻璃基片上设有下导电膜层，所述下导电膜层上设有下聚酰亚胺层，上聚酰亚胺层和下聚酰亚胺层之间设有液晶层；所述液晶层包括荧光示踪粒子和液晶混合后形成的混合层。
[0009]进一步，所述波形发生器包括高电压四通道波形发生器和/或高电流波形发生器；所述高电压四通道波形发生器包括显示电路、单片机最小系统、按键电路和四通道高压输出电路，所述显示电路、按键电路和四通道高压输出电路分别连接到单片机最小系统，所述四通道高压输出电路包括依次连接的第一 D/A转换电路、第一电压放大电路和通道1，依次连接的第二 D/A转换电路、第二电压放大电路和通道2，依次连接的第三D/A转换电路、第三电压放大电路和通道3，以及依次连接的第四D/A转换电路、第四电压放大电路和通道1。
[0010]进一步，所述显微镜冷热台包括主体部分，提供冷却水循环的蠕动栗及控制部分；所述主体部分包括底座和顶盖，所述底座上设有冷却水入口、冷却水出口和腔体部，所述冷却水入口、冷却水出口经冷却水管道连通，所述腔体部内设有加热制冷芯片和温度传感器，所述加热制冷芯片包括加热制冷半导体芯片。
[0011]进一步，所述流动观察记录部分包括落射式荧光显微镜、视频录制摄像头和显示及控制系统；所述视频录制摄像头采用CCD图像传感器，所述落射式荧光显微镜、视频录制摄像头分别与显示及控制系统连接。
[0012]进一步，所述图像数据处理部分，包括:
导入待处理的视频文件；
将导入的视频文件转化为图片，包括:将视频文件拆分为图片，并根据荧光示踪粒子运动速度的大小确定拆分的图片数量；一秒钟的视频可以拆分10帧到30帧的待处理图片，如果视频中可以看出示踪粒子速度很慢，就可以选择一秒钟视频拆分为10帧图像进行处理；如果示踪粒子较快，可以选择将一秒钟视频拆分为30帧图像，这样可以提高处理精度；将所拆分的图片进行预处理，所述预处理包括滤波处理和腐蚀处理；
对预处理后的图片进行运算，绘制速度场。
[0013]进一步，所述荧光示踪粒子采用直径2 μ m的固体荧光微球颗粒。
[0014]进一步，所述腐蚀处理采用腐蚀运算的方法进行处理。
[0015]本发明的有益效果为:
(1)本发明作为液晶专用系统，示踪粒子问题与其他系统有着本质区别，首先是示踪粒子的均匀性问题。本系统构建初期，为了使用尽量小的荧光微球作为示踪粒子，选择荧光微球水溶液，微球直径0.02-0.1 μ m，对于大部分研究微型管道的学者来说，少许的水分对实验室没有影响的。但是，作为液晶微流动专用Micro-PIV系统来讲，流动介质液晶是一种不溶于水的有机物，这一特性使荧光微球溶液很难融入液晶，所以均匀性问题一直难以解决。后期，采用直径较大(2 μ m)的固体荧光微球颗粒，购于北京立方天地科技有限公司，均匀性问题才得到有效解决。
[0016](2)微流场激发部分；普通Micro-PIV系统的测速对象大部分为水，粘度远小于液晶，流速较快，且流场的激发方式为压力驱动。本系统主要针对电磁场及温度场驱动的液晶微流动进行测量，因此微流场激发部分的四通道信号发生器及显微镜冷热台均属本系统所特有的。
[0017](3)图像数据处理部分；普通PIV系统所使用的传统处理软件大部分采用的相关算法，预处理部分主要为各种滤波处理，主要针对示踪粒子浓度较高，流速较快的图片进行处理。液晶流动速度较慢，且图片均为显微镜下拍摄，粒